《电涡流式转换器及其应用[J]. 电测与仪表, 1978,(10) ..docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电涡流式转换器及其应用[J]. 电测与仪表, 1978,(10) ..docx（6页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、电涡 流 式 转 换 器及其 应 用浙 江 大 学谭 祖 根陈 守 川一、引,在机械振动技术研究和连续监视过程中,一再提出了无接触树量问题。 作 为无接触测量的传感器 , 以前用得多的为电感式和电容式两种。电感传感器虽然使用可靠, 但是体积大,侧童的线性范围较小,电容传感器的体积小,结构简单,灵敏度高, 但是测量的范围小 , 测试值受介质和电磁场的影响较大, 在现场使用亦有困难,因此都不能满足实际使 用 中 的 要求。为了克服上述两种传感器的缺点, 发展了一种建立在涡 流法原理上的传感器 , 即电涡 流传感器。 它可把位移、 振幅、 厚度、 裂纹等变换为电参数来进行测量, 并且具有测量线性范围
2、大、 结构简单、 不受油污 等介质影响、 抗干扰能力强、 可远距离测量等优点 , 已广泛用于汽轮机、 空气压缩机、 航空发动机等旋转轴的径向振动测量和轴向位移测量, 并用来作为连续监控装置。 这种传感器也可用于机械制造工业中另件计数、 尺寸 计量和工件表面探伤等。在无接触测量中, 它是一种比较好的传感器 。二、 电润流传感备的工作原理电涡 流传感器主要是一只固定于框架上 的扁平线圈 图 , 它与一个 电容并联, 构成并联谐振 回路 。 在没有测量体时, 把该 回路调澎翻切月习,1皇2详3 御汽习盯一冬图电涡流 传威器的作 用原理一7 :一谐到某一频率例如! # 。 传感器的线圈由于高频讯号的激
3、励, 将产生一高频交变 磁场价, 当被测导电体靠近传感器时 , 根据电磁感应定律, 在被测导体的表面附近 就产生了与磁场相交链的电涡流, 此电涡流又将产生一磁交变场帆反作用于必% , 必总是抵抗咖 的存在 , 如图 所示。根据计算, 电涡 流在被测导电体中损耗的功率为& 。 ( ) + 位 , . 一 。 , &五 电涡穿 ( / 0 % 夕式 中 一 流贯 深度 二 。 &丫 拼,一 )打+)一激磁频率,+ . 一磁感应强度的幅值,户一材料的电阻率, . 、 。一电涡 流形成范围的外径与内径,“ 一导体的相对导磁率。对于 铁磁性材料 ,除电涡流现 象外, 还存在磁滞损耗, 它们形成的范围是一
4、样的, 若电涡 流形成范围的体积为 4 , 则磁滞损耗功率为5& ( 刀)+ .6 4 7式中刀一材料的磁滞系数86 一与甘.有关的系数。总的损耗功率大小直接关系到回路的品质因素 9 值 , 因此影响回路 9 值 的因素有5 磁感应强度幅值+. 它同被测导体与传感器的相对位置有关 , 被测导 电体的电阻率 & , 磁滞系数 叮 和激磁频率 ) 等。 当一定的被测导电体靠近传感器时, 损耗功率增大, 回路的 9 值就降低。 9 值的降低, 意味着谐振 曲线峰值下降,同时使曲线变得平坦, 如图 7 所示 。在传感器与被测导 电体靠近时 , 传感器的等效电感也将发生变化。 计算传 感器 的等效电感为
5、55。 ,百, ,一 、川5男 共,82 22; 、一二、” ”一一厂 图 ;位移一 电压 的特性曲 线三 、 传感登的结构形式电涡流传感器的结构很简单, 主要是一个按置在框架上的线圈。 线圈可以绕成一个扁平的圆形线圈, 粘贴于框架 的端面 如图, , 也可以在框架上开一条槽, 导 线在槽内绕制而形成一个线圈 如图, 。一1 日二三卜二二卜氏,了卜,图 ,传成器 的结构对 线圈框架的材料, 要求损耗小、 热膨胀系数小、 电性能好 , 一般可以选用聚四氟、 陶瓷 、 碳化硼、 聚酞亚胺等。 在高温条件下使用时, 可用硝化硼。线圈 的导 线一般采用高强度漆 包铜线, 如果要求高一些时, 可用银线或
6、银合金线, 在高温条件下使用时, 则可 用锌钨合金线。在采用线圈与框架端面 胶接的形式时, 胶水亦要选择得适当, 并与所使用环境温度相适应 ,一般可 以采用粘贴应变片用的胶水,四 、 刹里故路电涡流传感器的测量线路, 一 般分 为两一 7 一部份, 一是与传感器相近的前置器, 一是可以远离传感器 也就是说可 以远离被测体 的指示仪。前里器的作用是供给传感器线圈以高频振荡讯号, 并把传感器的输出电压 加以放大、 检彼 ,送到指示仪去指示或记录。 这样做可 以减中终声影响, 使指示仪能远距离指示或记录。周 : 是+ 型前置器的原理方框图, 图 : 是它的线路图。 它由石英振荡器、 源极输出器、 交
7、尸一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一劣盆未确踢 女坟 俭一今!一欲咖成人一丙 )一队工宫刁几卜产匕&%尸# # # 习图 ( ) 型 前置器方 框图爵0荟/ 宕。+二门二于丛,气双公碘踢.夺图 1( ) 型 前置器 线路 图流放大器、 倍压 检波器和 滤波器等五个部份组成。 石英振荡器提供频率稳定 的 2 3 4 的振荡讯号, 用以激励传感器线圈, 使传感器线圈电 感 5 。和电容 6 。组成并联谐振回路。 对振荡器除频率要求稳定外, 还需要幅度稳定。 石英振荡 器输 出接隔离 电阻7 , 它的作用是减小传感器线圈 5 。和 电容 6 。组成 的并联谐振回路对晶振的影响, 同时
8、通过 7 0 对传感器提供激励电流, 它的大小与整机的灵敏度有关。并 联谐振回路输出电压为 2 3 8 的等幅电位 9 在位移测量时: 或 2 3 8 的载频调 幅 波 9 在振幅测量时: , 要直接传输和测量这个高频 电压比 较麻烦, 为此需将这个高频电压 转换成直流电压 ; 9对于 位移 :或低频 电压; 一 9 对一 一于振幅: 。 为了完成这个变换, 并减小测量线路的负载, 设置了场效应管源极放大器。 在线路中选用了 1 ? 结型场效应管, 这是因为它的噪声低、 温度特性好、 输入姐抗高。 场效应源极输出级仅仅起了阻抗变换作用, 为了使源极输出级的 2 3 4 高频讯号电压放大, 以驱
9、动检波器工作, 采用了三级交流放大器, 它由 4 、 、 三只晶体管组成,并由7 4 4 和7 构成深度负反馈以保证前置级的稳定 。检波器的任务是将高频载波电压 讯号转换成直流电压讯号 9 位移测量时: 或低频 电压讯号 9 振幅测量时 : 。 为了提高检波效率 , 采用了 由二极管 = 4 、 = , 组成 的倍压检波器。 检波后的讯号经 滤波器 5 0 、 5 , 滤波后输出到指示仪。指示仪是把前置器送来的讯号加以放大后用表头指示出来, 或者输出到记录仪器上记录下来。当测量静态位移时, 指示仪只要直流放大后就可 以用表头指示, 或输出到记录仪器记录。 如果要测量振幅或动态位移, 则需用交流
10、放大, 然后再送到记录仪器记录, 如果要用表头指示 , 还需要进行检波, 检波器的形式视测量的要求而定。 如要求获得振幅的单峰值、 峰峰值、 平均值, 可分别采用峰值检波器、 双峰值检波器等等。卜仪器有时除指示和 记录外, 还要 求能 报警 , 那么可在直流放大器 9 位移测量时: 后或在峰值检波器 9 振幅测量时: 后接入一报警电路, 用灯或声来进行报警, 或者输出到控制回路进行控制。) ) 一 + 型位移振幅测量仪娜 可用来测量位移及振幅的峰峰值, 除用表头显示 外, 尚有位移、 振幅、 电平、 报警等输出, 可 供数字电压表、 振子示波器、 一 函数记录仪、 频谱分 析仪进行观察、 记录
11、和分析。 “) ) 一 型位移振幅测鱼仪 ” 介绍见本刊 年第 期, 它由三机部1 所, 1 所、 浙江大学和杭州 自动化仪器厂研制成, 并由杭州自动化仪器厂生产 , 在第 期上误为杭州 白动化仪表厂, 特此更正。部份, 一是与传感器相近的前置器, 一是可以远离传感器 也就是说可 以远离被测体 的指示仪。前里器的作用是供给传感器线圈以高频振荡讯号, 并把传感器的输出电压 加以放大、 检彼 ,送到指示仪去指示或记录。 这样做可 以减中终声影响, 使指示仪能远距离指示或记录。周 : 是+ 型前置器的原理方框图, 图 : 是它的线路图。 它由石英振荡器、 源极输出器、 交尸一 一 一 一 一 一 一
12、 一 一 一 一 一 一劣盆未确踢 女坟 俭一今!一欲咖成人一丙 )一队工宫刁几卜产匕&%尸# # # 习图 ( ) 型 前置器方 框图爵0荟/ 宕。+二门二于丛,气双公碘踢.夺图 1( ) 型 前置器 线路 图流放大器、 倍压 检波器和 滤波器等五个部份组成。 石英振荡器提供频率稳定 的 2 3 4 的振荡讯号, 用以激励传感器线圈, 使传感器线圈电 感 5 。和电容 6 。组成并联谐振回路。 对振荡器除频率要求稳定外, 还需要幅度稳定。 石英振荡 器输 出接隔离 电阻7 , 它的作用是减小传感器线圈 5 。和 电容 6 。组成 的并联谐振回路对晶振的影响, 同时通过 7 0 对传感器提供激
13、励电流, 它的大小与整机的灵敏度有关。并 联谐振回路输出电压为 2 3 8 的等幅电位 9 在位移测量时: 或 2 3 8 的载频调 幅 波 9 在振幅测量时: , 要直接传输和测量这个高频 电压比 较麻烦, 为此需将这个高频电压 转换成直流电压 ; 9对于 位移 :或低频 电压; 一 9 对一 一于振幅: 。 为了完成这个变换, 并减小测量线路的负载, 设置了场效应管源极放大器。 在线路中选用了 1 ? 结型场效应管, 这是因为它的噪声低、 温度特性好、 输入姐抗高。 场效应源极输出级仅仅起了阻抗变换作用, 为了使源极输出级的 2 3 4 高频讯号电压放大, 以驱动检波器工作, 采用了三级交
14、流放大器, 它由 4 、 、 三只晶体管组成,并由7 4 4 和7 构成深度负反馈以保证前置级的稳定 。检波器的任务是将高频载波电压 讯号转换成直流电压讯号 9 位移测量时: 或低频 电压讯号 9 振幅测量时 : 。 为了提高检波效率 , 采用了 由二极管 = 4 、 = , 组成 的倍压检波器。 检波后的讯号经 滤波器 5 0 、 5 , 滤波后输出到指示仪。指示仪是把前置器送来的讯号加以放大后用表头指示出来, 或者输出到记录仪器上记录下来。当测量静态位移时, 指示仪只要直流放大后就可 以用表头指示, 或输出到记录仪器记录。 如果要测量振幅或动态位移, 则需用交流放大, 然后再送到记录仪器记
15、录, 如果要用表头指示 , 还需要进行检波, 检波器的形式视测量的要求而定。 如要求获得振幅的单峰值、 峰峰值、 平均值, 可分别采用峰值检波器、 双峰值检波器等等。卜仪器有时除指示和 记录外, 还要 求能 报警 , 那么可在直流放大器 9 位移测量时: 后或在峰值检波器 9 振幅测量时: 后接入一报警电路, 用灯或声来进行报警, 或者输出到控制回路进行控制。) ) 一 + 型位移振幅测量仪娜 可用来测量位移及振幅的峰峰值, 除用表头显示 外, 尚有位移、 振幅、 电平、 报警等输出, 可 供数字电压表、 振子示波器、 一 函数记录仪、 频谱分 析仪进行观察、 记录和分析。 “) ) 一 型位
16、移振幅测鱼仪 ” 介绍见本刊 年第 期, 它由三机部1 所, 1 所、 浙江大学和杭州 自动化仪器厂研制成, 并由杭州自动化仪器厂生产 , 在第 5 和 , , 它们分别在两个传感器中测得峰值, 合成后 即为旋转轴的振动矢量, 即 卜 了一亏矛下飞袱 其图像可用示波器进行观察, 或用照相拍摄下来。 用来测量 这种 轴振矢量图形 的仪器就叫轴芯轨迹仪。娜尹产一1、图轴芯 轨迹 刚量 示意图 、 在机械制过工 业 中作量仪在机械制造工业 的加 工过程, 可以把电涡流传感器作为量仪, 对零件尺寸进行自动检查一; 一7 图 , 对零件进行计数 图 7 。 在加工大的零件时, 如果在被加工 的零件附近装
17、一、占工工二巨 对二图 7 电涡 流传威器讨零件尺寸检 壹和 另件自动计数电涡流传感器 图; , 根据传感器与加工面间的距离, 可 以测得工件加工的尺寸, 这样不但可 以不要笨重 的量具, 而且还可 以在加工过程中进行测量。图 ; 加工落程测童示意图此外电涡流传感器还可用来测量工 件的表面光洁度、 非铁磁材料 的电导率等等。六、 结束语电涡流传感器的研制工作, 在我国还是近几年才开始发展起来的, 由于 它具 有 上述优点 ,所以很快地得到各个部门的重视和应用,现 在已有测量位移、 振幅、 厚度等参数和探伤的电涡流式仪表。 随着我国工业 的迅猛发展,电涡流式传感器将会更多地应用于 工业生产和科学实验过程, 因此它将是一种很有前途的传感器。加 考 文 献、浙江大学自仪教研组 一/ ; 。型 电润流式位移 振幅测皿仪 。 浙江大李学报 , 年第 ! 期、 & / 一&7,、 + 5 电润流探头前里器、 振动监控器 、 位皿监控器美国+ 6 %了 = 公司产品说明书。、 + = 6 五 # ( . = = 6 比 上 = 6 % % 6 4 % 7 : : & 7 / 一& 7 / ; 、日 公司5非接触式徽小变位侧定装。本